CN103376070A - 用于管道的3d探测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于管道的3D探测的装置和方法，具体而言涉及一种用于探测管道(1)的三维形状的装置，包括用于管道的保持结构(2)以及用于探测管道形状的器件(3)，其特征在于，保持结构具有用于从内部支撑管道的至少一个支架(4)并且用于探测管道形状的器件允许无接触地探测管道形状，其中管道和用于探测管道形状的器件布置成可在管道的总的长度上相对彼此运动。此外，本发明还涉及一种用于探测管道的三维形状的方法，包括以下步骤：保持管道以及探测管道形状，其特征在于，保持管道(1)借助于用于从内部支撑管道(1)的至少一个支架(4)来实现并且执行无接触地探测管道形状，其中在管道(1)的总的长度上进行管道形状的探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于探测管道的三维形状的装置以及方法，其中，该装置包括用于管道的保持结构以及用于探测管道形状的器件。该方法相应包括以下步骤：保持管道以及探测管道形状。
背景技术
通常管道或者借助于穿孔工艺(Lochdornprozess)和后置的(nachgeschalteten)轧制工艺由金属块来无缝地制造或者通过焊接预先成型成呈期望的形状的板件来制造。在此尤其在将这样的管道使用为用于输送在很高的压力下的液态的和气态的介质的管路元件时将特别重视管道的质量和形状精度。
质量要求不仅包括在整个管道长度上的表面品质以及与预先确定的壁厚度的最小可能的偏差，而且包括整个管道的三维形状以及管道截面的二维轮廓的多个部位。
首先，在管路管道(其被铺设在海底上并且因此在使用地处不仅遭受需要的内部压力，而且遭受很高的外部压力)处对管道在其总的长度上的形状存在特别高的要求。与管道截面的期望的圆度的已经很小的偏差(即所谓的椭圆度)可导致管道的局部的压痕(Eindrückung)或者在两个管道彼此焊接时引起困难。
因此管道制造者通常必须确保管道在其总的长度上的圆度(因此即使远离管道端部)处于所要求的公差之内。因此为了确定管道轮廓，通常在管道端部的区域中使用机械的测量元件，如游标卡尺或者测量夹钳(Messzange)。然后通常在整个管道长度上在一至三个预先确定的测量点处探测管道的直径，以便可因此得出整个管道的圆度或者椭圆度的结论。
然而借此几乎不可以或者仅可非常昂贵地确定管道在其长度上的总的形状。此外在进行这样的测量时，管道或者在仓库(Lager)中或者在输送辊道上搁置于在位置和取向方面未限定的受限的数量的支架上，从而由于管道的自重不仅管道在其长度上的弯曲而且管道的轮廓的变形对相应的测量施加了不可忽略的影响。
因此对用于确定这样的管道的管道形状和管道轮廓的迄今尚未存在的标准化的测量方法存在需要。同样存在可最大程度地自动化地且优选还标准化地实施对于质量确定和质量保障所需要的测量的需求。
发明内容
因此本发明的目的在于提供这样的装置以及方法，即借助于其能够可再现地且在没有由于环境影响造成的防碍的情况下优选自动化地执行管道在其总的长度上的三维形状。
在根据本发明的意义中，该目的借助于包括权利要求1的特征的装置以及包括权利要求10的特征的方法来解决。相应地，在从属权利要求中限定了本发明的有利的设计形式。
在根据本发明的意义中提供了一种保持结构，其具有用于从内部支撑管道的至少一个支架，由此可避免与取决于情形的环境影响，如测量的地点(其应在辊道上或者在仓库中)。在根据本发明的意义中，无接触地进行管道形状的探测，其中，管道和对此用于无接触地探测管道形状的必要的器件布置成可在管道的总的长度上相对彼此运动。
一方面管道与另一方面用于探测管道形状的器件相对彼此的可运动性可包括探测器件在静止的管道上的运动、管道相对于固定地布置的探测器件的运动以及两个装置构件彼此的运动。然而一种实施形式是优选的，在其中，用于探测管道形状的器件在仅静止位于保持结构上的管道的总的长度上进行，以便因此阻止仅由于管道的运动而造成的对管道形状的探测的所有的影响。
根据本发明的方法相应地包括这样的步骤：从内部保持管道以及借助于合适的器件在管道的总的长度上无接触地探测管道形状，其中在此对于探测过程来说，使一方面管道与另一方面用于探测管道形状的器件相对彼此在管道的总的长度上运动。
因此，首次提供用于探测整个管道的三维形状的能够标准化的方法，该方法可在不用考虑必然性即地点的影响的情况下提供可完全再现且可校验的结果。
为了标准化地探测管道的三维形状，仅必须确定用于支撑管道的支架的数量以及相应的支架在内部在管道内壁处的位置，如有可能还将确定管道的一个或多个焊缝相对于一个或多个支架的相应的位置以及支承面。基于这样的事实，即仅从内部支承管道可首次实现在管道的总的长度上探测管道的总的三维形状。如有可能，还可在同一工作步骤(但对此备选地也结合另外的测量方法)中同样测量管道端部(其通常必须具有预先限定的形状以用于引入连接焊缝)的形状。
因此在根据本发明的意义中能在不必以离散的步骤在管道长度上实施大量的测量操作的情况下实现探测管道的完整的三维形状。
在根据本发明的装置的一种优选的实施形式中，保持结构具有接合到相应的管道端部中且作用在管道端部的优选预先限定的点处的两个支架。在此特别优选的是，管道端部的预先限定的点处于贝塞尔点(Bessel’schen Punkt)的区域中，其中，在用于管路管道的通常为12.5m至18m的管道长度的情况中，与算出的贝塞尔点的为+/-25cm、特别优选为+/-5cm的偏差被看作为可接受的。然而，如果支承点与被支承的管道的贝塞尔点几乎重合，这是极其优选的，因此布置成远离贝塞尔点小于1cm。贝塞尔点描述了均匀受载的横梁的支架的最优的位置，横梁在其自身的重量或者均匀分布的载荷的作用下弹性地弯曲。因此贝塞尔点(其优选应作为用于由保持结构保持的管道的支承点起作用)位于平均弯曲的最小值的区域中，由此在测量时引起管道的最小可能的弯曲。因此在探测管道的三维形状时特别有利地优化测量结果。
因此出于标准化根据本发明的方法的原因建议确定贝塞尔点以及支架与贝塞尔点的最大可接受的偏差，以便如有可能可量化以及评定所探测的管道的标准弯曲。
在根据本发明的装置的另一优选的实施形式中，用于探测管道形状的器件包括至少一个光源和用于由管道表面漫反射的(gestreut)光束的至少一个接收器。这样的光源例如为超级发光二极管(Superlumineszenzdiode)或者白光源，其由管道表面漫反射的光可由接收器检测。在根据本发明的意义中，使用包括光源和接收器的任何光学测量设备。然而，如果用于探测管道形状的器件包括至少一个激光源和至少一个激光检测器，则这是优选的。
因此提供这样的装置，即其利用特别精确地工作的器具允许以很高的精度探测管道形状。此外测量快速地进行并且可节省结构空间地集成到承载结构中。
光源优选将结构光(Lichtstruktur)尤其点、线或者图案投射到管道的表面上。特别优选地，结构光可随地点和/或时间而改变。然后通过接收器和优选利用合适的控制和存储单元(经由其然后能实现确定管道本身的(二维)截面轮廓和(三维)形状)来进行已漫反射的结构光的检测和评估。
在根据本发明的装置的另一优选的设计形式中，用于探测管道形状的器件包括框架，优选地，该框架垂直于管道的纵向取向完全包围管道。就此而论，如果多个光源优选激光发射器优选等距离地布置在框架的周缘上，这是特别优选的。就此而论，如果16至24个激光发射器和相应数量的接收器布置在框架的周缘上，这是极其优选的。因此可在相对简单地安装用于单个的光源的承载结构的情况下来确保：一方面在测量或探测过程期间可同时探测管道的整个周缘，且另一方面保证单个的光源相对于管道表面的可靠且保持不变的取向和布置。
就此而论，如果框架包括单个的框架部分(其分别承载相同数量的光源和接收器)，则这是特别优选的。因此以特别简单且有效的方法来支持用于探测三维的管道形状的器件的构件式的更换和安装。
如果至少一个光源至少可沿径向、优选不仅可沿径向而且可沿切向移动地布置在框架内部，这是极其优选的。如果光源经由合适的设定器件以成组的方式可移动地布置在框架部分内部，以便可因此进行用于探测三维的管道形状的器件有效地与相应的待探测的管道截面匹配，这是尤其优选的。
就此而论，如果光源将结构光(其优选重叠地覆盖待探测的管道的整个周缘)投射到表面上，以便因此保证完全且无间隙地探测管道的三维形状，这是优选的。如果用于探测管道形状的器件可在静止的管道的总的长度上行进，那么这将尤其特别有利地被支持，其中在此如开头所提到的那样首先考虑这样的情况，即管道的任何运动可影响测量精度并且因此可导致不精确地探测三维的管道形状。
在根据本发明的装置以及根据本发明的方法的另一优选的实施形式中，可以限定的角位置旋转管道，以便例如在保持装置内部占据焊缝的预先确定的取向，例如在12点或3点上。就此而论，特别优选的是在支架处的旋转装置，例如呈至少一个辊式棱柱(Rollenprisma)的形式。同样特别优选的是用于使管道围绕管道的轴线旋转的器具，该器具未与保持装置相连接，而是在管道贴靠在支架上之前将管道带到限定的旋转位置中。
在根据本发明的方法的一种优选的实施形式中，该方法利用用于探测管道的三维形状的根据本发明的装置。因此，利用根据本发明的方法获得的效果与在应用根据本发明的装置包括其优选的实施形式时可获得的效果相符。
根据本发明的方法至少包括以下步骤：保持管道以及探测管道形状，其中，保持管道借助于用于从内部支撑管道的至少一个支架来实现，并且执行无接触地探测管道形状，在其中，管道与用于探测管道形状的器件在管道的总的长度上相对彼此运动。
优选地，管道经由合适的器具诸如辊道运送至用于管道的保持结构和用于探测管道形状的器件处，然后由保持结构抓住且最终或者从辊道上抬起或者通过至少降低辊道区段来仅由保持结构保持。优选地，然后用于探测管道形状的器件在管道的总的长度上扫过静止的管道，以便因此无接触地探测三维的管道形状。
如果在探测之前至少一个光源优选至少一个激光发射器在承载一个或者多个光源的框架内部相对于管道表面至少沿径向被调整，这是特别优选的，由此可特别优选地调节各个光源距管道表面的相同的间距。还特别优选地实现切向调节一个或者多个光源的局部的位置，因此光源基本上垂直于径向的调整运动移动，以便如此实现探测器件的所有的光源相对于待探测的管道的优选等距离的取向。
如果管道在探测管道形状期间仅搁置在保持结构上，优选搁置在包围管道内壁的优选预先限定的点的支架上，这是尤其优选的。因此保证可提供可再现的且优选标准化的方法以用于在没有从外部影响测量结果的情况下探测三维的管道形状。
附图说明
接下来参考6张附图来进一步解释本发明，其中，这些附图示意性地示出了本发明的优选的实施形式。其中，
图1显示了用于探测管道的三维形状的根据本发明的装置的示意性的侧视图，
图2显示了待探测的管道运输到根据本发明的装置中的运输步骤的示意性的侧视图，
图3示意性地显示了将待探测的管道运输到根据本发明的装置中的第二步，
图4显示了将待探测的管道运输到根据本发明的装置中的第三步，
图5显示了在探测三维的管道形状期间根据本发明的装置的使用，以及
图6显示了用于探测三维的管道形状的根据本发明的器件的一种实施形式。
具体实施方式
图1显示了用于探测管道1的三维形状的根据本发明的装置的示意性的侧视图，该装置包括用于管道的带有可升高和可降低的两个辊道滚轮11a,11b和两个保持结构2a,2b(其包括可升高和可降低的两个支架4a,4b)的运输装置。将保持结构2a,2b设置成可分别驶向到管道1处并且可从该管道1再运动离开。最后，装置包括用于探测管道形状的器件3，该器件3可运动越过整个管道长度并且优选能探测由保持结构2a,2b保持的管道1的整个周缘。
图2显示了将管道1运输到根据本发明的装置中的第一步。借助于抬起的辊道滚轮11a,11b从左向右在两个保持结构2a,2b之间运送管道1，其中，还可在保持结构2a,2b之间横向运输管道。用于探测管道形状的器件3在该工作步骤期间已经以环状物的形式布置在保持结构2a,2b之间，其中，管道1在保持结构2a,2b之间被运输时被引导穿过器件3的框架的基本上封闭的环。
图3显示了将待探测的管道1运输到根据本发明的装置中的第二步。管道1仍然搁置在已抬起的辊道滚轮11a,11b上，其中，保持结构2a,2b以及降低的支架4a,4b分别朝着管道1相向运动，并且支架4a已经穿过左侧的管道端部1a而位于管道内壁1c的限定的点5a下方。与此相反，右侧的保持结构2b还未朝管道1运动到这样的程度，即支架4b应穿过右侧的管道端部1b到达用于支架4b的限定的点5b下方。在该工作步骤中，用于探测管道形状的器件3以侧向远离管道1的方式布置在不工作位置(Ruheposition)中。
图4示意性地显示了将管道1运输进入到根据本发明的装置中的另一步骤。保持结构2a,2b的支架4a,4b与管道内壁1c处于接触并且被继续抬起，以便将管道1从辊道滚轮11a,11b抬起。在该时间点上，管道1的周缘尚未完全自由，从而用于探测管道形状的器件3继续停留在图3的不工作位置中。
图5显示了在执行根据本发明的方法期间根据本发明的装置，其中，管道1仅由保持结构2a,2b的支架4a,4b保持。辊道滚轮11a,11b降低到不工作位置中，使得以仅从内部支撑的方式将管道1保持在装置内部。器件3可从现在起在管道1的总的长度上在保持结构2a,2b之间往复运动，以便无接触地三维地探测和描绘管道1的整个形状。
最后，图6显示了用于探测管道1的形状的根据本发明的器件3的框架10。如可识别的那样，管道1布置成与圆形的框架10同心，其中，不仅可水平地而且可竖直地任意调整框架10以便使框架10相对于管道1精确地取向。在框架10内部彼此等距离地布置有16个单元13，其中，8个单元13设置在框架10的前侧处且8个单元13设置在框架10的背侧处。
这些单元13中的每一个包括激光光源以及光束成型光学器件(Strahlformungsoptik)，其从激光光束形成激光线，激光光束在上部单元13下方示意性地示出为扇形的结构光12。最后，每个单元13还包括检测单元－在示出的情况中为图像检测器。单个的单元13布置成可在框架10内部分别以朝向管道1的方向和以远离管道1的方向沿径向被调节，使得由单元13发射的结构光12覆盖管道1的预先限定的部分周缘。由管道1的表面漫反射的光然后由关联于每个单元13的检测器接收并且输送给合适的成像单元，以便在此完全再现管道1的三维形状。优选地朝着管道1径向地进给单元13优选激光传感器，以便达到尽可能高的测量精度，因为单元13的测量范围通常受到限制。但同时还期望可利用同样的设备测量很大范围的管道直径。
Claims (15)
1. 一种用于探测管道(1)的三维形状的装置，该装置包括用于所述管道(1)的保持结构(2)以及用于探测管道形状的器件(3)，其特征在于，所述保持结构具有用于从内部支撑所述管道(1)的至少一个支架(4)并且用于探测管道形状的所述器件(3)允许无接触地探测管道形状，其中，所述管道(1)和用于探测管道形状的所述器件(3)布置成可在所述管道(1)的总的长度上相对彼此运动。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保持结构(2)具有接合到相应的管道端部(1a,1b)中且作用在管道内壁(1c)的优选预先限定的点(5a,5b)处的两个支架(4a,4b)。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述管道内壁(1c)的预先限定的所述点(5a,5b)位于贝塞尔点的区域中，优选与被支承的所述管道(1)的贝塞尔点重合。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于探测管道形状的所述器件(3)包括至少一个光源(6)优选至少一个激光发射器以及用于由管道表面(1d)漫反射的光束优选激光光束的至少一个接收器(7)。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，可通过所述光源(6)将结构光(9)优选点或者线相当优选地图案投射到所述管道(1)上。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于探测管道形状的所述器件(3)包括框架(10)，该框架(10)优选完全包围管道截面。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，多个优选为16至24个光源(6)优选为激光发射器优选等距离地布置在所述框架(10)的周缘上。
8. 根据权利要求6或者7中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个光源(6)优选激光发射器至少可沿径向优选不仅可沿径向而且沿切向移动地布置在所述框架(10)内部。
9. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于探测管道形状的所述器件(3)可在所述管道(1)的总的长度上行进。
10. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有用于使所述管道(1)围绕其纵向轴线旋转的器具，优选为至少一个辊式棱柱。
11. 一种用于探测管道(1)的三维形状的方法，包括以下步骤：保持所述管道(1)以及探测管道形状，其特征在于，保持所述管道(1)借助于用于从内部支撑所述管道(1)的至少一个支架(4)来实现并且执行无接触地探测管道形状，其中在所述管道(1)的总的长度上进行管道形状的探测。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使用于探测管道形状的所述器件(3)在静止的所述管道(1)的总的长度上被引导地运动。
13. 根据权利要求11或者12中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个光源(6)优选为至少一个激光发射器将结构光优选为点或者线相当优选地图案投射到所述管道(1)上。
14. 根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个光源(6)优选激光发射器在开始探测管道形状之前至少沿径向优选不仅沿径向而且沿切向如此在框架(10)内部移动，即相对于管道表面调节所述光源(6)的预先限定的间距，优选地相对于该管道表面还调节所述光源(6)的预先限定的局部的位置。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述管道(1)在管道形状被探测期间仅搁置在所述保持结构(2)上，优选搁置在作用在管道内壁(1c)的优选预先限定的点(5a,5b)处的所述支架(4a,4b)上。
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